基于eQUEST软件的仓储建筑能耗模拟分析研究

目前, 低温储藏法是粮食储藏的最佳方法, 在这一点上国内外学者已达成共识[1]。低温储粮可以有效地限制有害生物体的生长、繁殖, 延缓粮食品质的劣变, 达到安全储粮的目的[2]。虽然, 低温储粮的效果很好, 可以很好地保障粮食的品质, 但低温储粮系统运行能耗较高, 限制了其推广发展。因此, 对仓储业低温储粮系统运行能耗的研究就显得尤为重要。

近几年来, 我国仓储的研究主要是对粮仓温度场的研究。梁醒培[3]采用有限元法对平房仓内的粮堆进行了瞬态温度模拟, 求得了粮堆在一年内的温度;张忠杰[4]通过应用计算机流体力学方法, 模拟研究了仓储粮堆在不通风情况下温度场的变化情况;闫艳霞[5]根据内热源非稳态导热, 利用热力学定律、传热学和能量守恒理论, 得到了导热微分方程, 建立局部温度场变化数学模型;李飞[6]通过比较渗流场与温度场的相似性, 论证了利用温度场模拟渗流场的可行性;李建智[7]根据“三北地区”低温 (准低温) 储粮主体工艺流程、 主要技术措施和相应设备选配基本方案, 结合大连地区储粮条件, 进行了低温储粮试验。另外, 蒋源勇[8]对其所属粮库的地源热泵系统能耗进行了试验研究, 结果显示全年低温储粮能耗为11860 kW·h。

从整体上说, 我国低温储粮系统在高大平房仓中的实仓应用尚属试验性或应急性处理阶段[9], 能耗研究还很少, 因而存在很大的节能空间。本文以江苏某典型粮库为研究对象, 采用eQUEST能耗分析软件对粮仓进行冷、电负荷预测, 模拟了采用水源热泵系统时粮仓的能耗, 分析了夏季单月份的负荷趋势图, 从而找出适宜的通风时机。同时, 为了更好地对比分析不同空调制冷系统的能耗, 模拟了采用传统空调系统制冷的能耗, 并对所得结果进行了研究。另外, 分析了围护结构不同保温层厚度对能耗的影响, 为仓房的建立以及改造提供了理论依据。本文对新建仓储建筑设计方案的优化、储粮系统的选择及节能运行和旧建筑的改造有直接的参考作用。

eQUEST是一款功能强大的能耗计算软件, 可以很好地预测建筑负荷及建筑能耗[10,11]。eQUEST能耗计算软件根据室外气象条件、围护结构情况, 采用正向思维计算出建筑内温度、负荷以及能耗情况, 针对仓储建筑可根据输入的建筑情况 (建筑结构、围护结构材料、储粮设备参数、照明情况) 和仓内设计温度值, 计算出建筑的全年动态能耗。

模拟仓房类型为江苏某粮食储备库典型高大平房仓, 选取典型廒间为模拟对象, 尺寸为24 m×30 m。堆粮高度6 m, 可储粮2500 t, 储粮类型为稻谷。地上笼通风道, 每个廒间两个通风口, 单侧通风。墙体砖混, 顶板采用钢筋混凝土浇灌, 地面混凝土防水层。仓房墙体厚度490 mm, 顶板厚度为500 mm。围护结构主要参数如表1。

仓储能耗主要包括进出仓能耗、通风空调能耗、环流熏蒸能耗以及照明能耗等。该粮库进出粮均采用两组皮带传送机, 每组4台, 每台额定功率为4 kW, 进出粮能耗约为4480 kW·h。照明能耗可按每个灯泡每天平均开1 h计算, 每个灯泡额定功率为25 W, 照明每年耗电量约为450 kW·h。另外, 环流熏蒸能耗相对较小, 可忽略不计。以下为应用不同设备情况下的通风空调能耗模拟情况。

采用水源热泵空调系统对该廒间进行低温储粮 (15℃) 。室外气象参数是在相关能耗网站上下载, 为该地区的逐时气象数据, 通过eQUEST软件导入。制冷设备为水源热泵, 水源热泵型号为WGC -85 , 主要技术参数为:制冷量85 kW、额定风量为5500 m3/h , 水流量20 m3/h, 输入功率25 kW , COP为4.4。

该粮库低温储粮设备实际运行规律, 为每年7月份使用制冷系统为粮仓降温一次, 8月份再降温一次, 每次持续15 d, 24 h全天运行。可以基本保证粮温为15℃。

采用水源热泵空调系统7月份能耗为8310 kW·h, 8月份能耗为8780 kW·h, 每年共开机2次, 共17090 kW·h。两个月比较, 8月比7月份能耗要高但相差不大。

夏季最热月份6、7、8月份最大负荷日当天的负荷走势基本一样, 平均负荷约为20 kW, 可以根据负荷走势规律, 来明确制冷重点, 指导通风运行, 达到节能运行的目的。另外, 出现峰值时, 要密切关注粮仓动向, 及时解决产生的问题。5月份平均负荷为15 kW, 最大负荷在下午16∶00左右, 之所以有这个结果, 是由于维护结构的衰减和延迟作用, 阻碍了温度的传导。

通过比较全年模拟每月的负荷峰值图发现, 月峰值较高的月份为6～9月, 最大值出现在7月, 为26.02 kW, 在这几个月中是制冷通风的最佳时节, 也是粮食最容易出问题的季节, 保粮人员在此期间一定要比平时更加细心, 要勤检查。

空调系统的开启主要是为了粮食安全度夏, 所以空调开启时间为每年的6、7、8三个月, 24 h全天间歇运行。另外, 为了更好对比, 对全年的能耗也进行了模拟。 设备选择为KFR-120LW/E (12568L) A1-HN2, 制冷量为12 kW, 额定功率为3.8 kW, COP为3.12。

通过传统空调系统能耗模拟结果显示, 每月能耗分别8700 kW·h、12540 kW·h、11800 kW·h, 夏季三个月总共能耗为33210 kW·h。每年需采用传统空调系统制冷的月份为4月～11月, 其中7月、8月能耗最大, 6月、9月次之, 全年能耗总共50200 kW·h。全年能耗与夏季能耗差值为16990 kW·h, 这个差值产生的能耗一般都为过渡季节能耗, 属于节能空间, 可以用功率较小的轴流风机在室外气象条件适宜的条件下进行过渡季节通风来节省能耗, 需要特别注意的是, 9月份的能耗相对较大, 说明室外气象参数条件对储粮较为不利, 所以对于储粮条件要求较高的粮食建议9月份也进行空调储粮, 以便保证粮食质量安全。

围护结构的保温性能对粮食仓储的能耗有很大影响。因此, 本文对围护结构保温层厚度对储粮能耗的影响进行了研究, 分别改变外墙与屋顶的保温层厚度, 分析其影响规律。所采用保温层材料为挤塑聚苯乙烯泡沫。

模拟结果表明外墙每增加10 mm保温层, 每个廒间能耗每年大概下降500 kW·h , 屋顶每增加10 mm保温层, 每个廒间能耗每年大概下降700 kW·h。说明屋顶的保温层增加效果比外墙效果好, 在有限的资金情况下应该重点改造屋顶结构。

通过对比采用不同空调系统进行低温储粮的能耗情况以及能耗规律的研究, 首先表明低温储粮能耗较大, 节能空间充足, 显示了低温储粮系统节能运行的重要性。其次, 对于仓储管理而言, 需要选择正确的方式和方法, 利用有限的资金去培养仓储技术型人才、改造仓房、购买先进设备、充分利用新能源等。针对仓房建筑, 可利用的主要的节能方案有以下几种:

长期的试验研究表明, 在夏季, 热量主要是通过粮仓的外墙以及屋顶传入仓内, 所以为了更好地减少仓内冷量的流失, 更长时间地保存仓内冷量, 需要适当地增加围护结构的保温层厚度。对于屋顶的结构改造, 可以设计夹层, 表面涂抹隔热反光涂料, 有条件的粮库可以采用仓顶绿化的方式, 这样既可以有效减少仓内的热量, 又可以美化粮库环境, 减少热导效应, 符合我国目前大力发展绿色建筑的基本国策。

制冷系数较高的设备在同样的耗电量情况下, 可以获得更多的冷量, 这对于位置处在较热地区的粮库需要尤为注意。另外, 合理通风也是降低能耗的重要方法, 对于过渡季节, 可以采用夜间通风的方式降低粮堆温度, 通风时注意少用离心风机, 尽量用小功率的轴流风机代替。

新能源技术主要包括太阳能、地能、风能的利用。太阳能利用系统有太阳能热水系统和太阳能光伏系统。地能的利用主要通过地源热泵系统来实现, 地源热泵系统包括土壤热泵系统、地下水热泵系统、地表水热泵系统。风能是由于大气的运动而形成的一种能源形式, 风能的利用主要为风力发电。安徽省属于夏热冬冷地区, 日照充足, 水源充沛, 季风明显, 较为适合新能源的开发利用。通常情况下, 粮库面积较大, 视野较为开阔, 很适合安装太阳能光伏系统, 可供照明或设备使用, 也可并网使用。同时, 也可以利用太阳能热水技术, 夏季为职工提供生活热水, 冬季可与地板采暖系统联用。另外, 据美国环保署EPA估计, 设计安装优良的地源热泵, 平均可以为用户节约 30%～40%的供热空调运行费用。

粮仓的节能研究会涉及到很多新技术、新设备等, 不应盲目追求, 应该在项目节能降耗和经济效益两个方面寻求最佳的平衡点。相对于其它建筑类型, 粮仓建筑节能工作起步较晚。只有在认真总结其建筑类型节能技术的基础上, 结合粮仓建筑的具体特点, 不断完善节能技术, 不断更新设计理念、设计方法, 才能推动节能工作的快速进步。